เส้นสเปกตรัม คือแสงที่เป็นเส้นหรือแถบที่แสดงออกมาเป็นสี โดยการแผ่รังสีที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านปริซึม แผ่นเกรตติ้ง หรือสเปกโตรสโคป เห็นเป็นสีได้ 7 สี ซึ่งไม่มีความต่อเนื่องกัน มีการเว้นช่วงความถี่และมีความยาวคลื่นแตกต่างกันจนเกิดเป็นแถบ ๆ เรียงกันไป
คำว่า สเปกตรัม มาจากภาษาละตินมีความหมายว่า “Ghost” เพราะแสงพวกนี้ปรากฏแสงเป็นแบบ “Gostlike” จากแสงของจริงที่เป็นแสงสีขาว ไม่มีสีสันอย่างสเปกตรัมนั่นเอง
เส้นสเปกตรัมเป็นหนึ่งในประเภทของสเปกตรัมจาก 2 ประเภท ได้แก่ สเปกตรัมไม่ต่อเนื่อง (Discontinuous spectrum) และสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum) ซึ่งสเปกตรัมต่อเนื่องนั้นจะมีแถบสีที่เกิดขึ้นต่อเนื่องกันไป เช่น สเปกตรัมจากวัตถุดำ ซึ่งหมายถึงวัตถุที่มีคุณสมบัติดูดกลืนแสง ไม่สามารถสะท้อนได้ ทึบตัน สามารถหมายถึงดาวฤกษ์ ซึ่งก็คือดวงอาทิตย์ และยังหมายถึงไส้หลอดไฟต่าง ๆ เป็นต้น ส่วนเส้นสเปกตรัมถือเป็นสเปกตรัมไม่ต่อเนื่องที่มีการแผ่รังสีเป็นแถบ ๆ เส้น ๆ เว้นระยะไปและมีความถี่และความยาวคลื่นบางครั้ง ไม่มีความต่อเนื่องกันเลย เช่น สเปคตรัมของอะตอมไฮโดรเจน
เครื่องมือที่ใช้ศึกษาเกี่ยวกับสเปกตรัม
สเปกโตรสโคป (Spectroscope) คำว่า spectro มาจากคำว่า spectrum และคำว่า scope แปลว่าเครื่องมือที่ใช้ส่องดูสเปกตรัม มีความสำคัญในการตรวจดูสเปกตรัมในด้านฟิสิกส์อะตอม ดาราศาสตร์ ซึ่งมีหลักการทำงาน 2 แบบคือ แบบที่ 1 สเปกโตรสโคปแบบปริซึม คือใช้การหักเหของแสง แบบที่ 2 สเปกโตรสโคปแบบเกรตติ้ง คือใช้การเลี้ยวเบนและการแทรกสอดของแสง
ประวัติการค้นพบสเปกตรัม
เมื่อให้แสงของวัตถุดำหรือแสงขาวส่องผ่านปริซึม จะเกิดแถบสีต่าง ๆ ต่อเนื่องกัน 7 สี ได้แก่ สีม่วง สีคราม สีน้ำเงิน สีเขียว สีเหลือง สีส้ม และสีแดง เรียกแถบสีต่อเนื่องทั้ง 7 สีนี้ว่า “สเปกตรัมของแสงสีขาว” แสงขาวนั้นประกอบไปด้วยสีทั้ง 7 สี ซึ่งมีความยาวคลื่นต่างกัน ทำให้เกิดการหักเหตามขนาดของมุมต่าง ๆ โดยแสงที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันนั้นก็จะมีการหักเหของแสงในปริซึมไม่เท่ากันเช่นกัน ซึ่งทำให้เกิดการแยกออกเป็นแถบสีต่าง ๆ ที่มีความยาวคลื่นไม่เท่ากันต่อเนื่องกันเป็นแถบสเปกตรัม
เซอร์ไอแซค นิวตันเป็นคนแรกที่ค้นพบว่าแสงที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านสามารถแยกแถบสีได้ 7 สี โดยทำการทดลองใช้ปริซึมแยกแสงอาทิตย์ ผลที่ได้คือปรากฏแถบสี 7 สี
ต่อมาในปี ค.ศ.1802 วิลเลียม ไฮด์ วอลลัสตัน นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ค้นพบสเปกตรัมต่อเนื่องของดวงอาทิตย์ที่ถูกบรรยากาศบัง มีเส้นมืดปรากฏอยู่บนแถบห่างกันไม่เท่ากัน ซึ่งหลังจากนั้นโยเซ็ฟ ฟ็อน เฟราน์โฮเฟอร์ ค้นพบเส้นมืดจำนวน 475 เส้นในสเปกตรัมต่อเนื่องของดวงอาทิตย์ (เส้นเฟราน์โฮเฟอร์)
ต่อมาเรียกเส้นมืดที่ถูกค้นพบนี้ว่า เส้นดูดกลืน (Absorption lines) ซึ่งธาตุแต่ละชนิดจะทำให้เกิดเส้นดูดกลืนที่แตกต่างกันออกไป และยังค้นพบเส้นสีเหลืองในสเปกตรัมต่อเนื่องนี้ ซึ่งมีความยาวคลื่นที่ตรงกับสีเหลืองในการเผาเกลือ ทำให้ทราบว่าดวงอาทิตย์มีธาตุโซเดียม (Na) อยู่
ต่อมาในปี ค.ศ.1814 เซอร์ไอแซค นิวตันกับโจเซฟ ฟอน ฟรังโฮเฟอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันก็ได้ทำการทดลองซ้ำอีกครั้ง แต่เปลี่ยนไปใช้แผ่นเกรตติ้งแทนแท่งแก้วปริซึม หักเหแสงอาทิตย์ พวกเขาพบเส้นมืดปรากฏบนแถบสเปกตรัมเพิ่มขึ้นมากกว่า 600 เส้น ซึ่งในปัจจุบันตรวจพบมากกว่า 30,000เส้น ในภายหลังกุสตาฟ เคอร์ชอฟ ได้ประดิษฐ์สเปกโตรสโคปเพื่อใช้ในการแยกสเปกตรัมของแสงขาวและตรวจเส้นสเปกตรัมของสารที่ถูกเผาว่าประกอบด้วยธาตุอะไรบ้างได้
ในปี ค.ศ.1859-1860 โรเบิร์ต บุนเซน และกุสตาฟ เคิร์ชฮอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเผาก๊าซร้อน แล้วพบว่า แสงจากก๊าซร้อนที่ผ่านปริซึมเกิดเส้นสว่างบนแถบสเปกตรัม ซึ่งก๊าซแต่ละชนิดให้จำนวนและตำแหน่งของเส้นสว่างแตกต่างกัน เราเรียกเส้นสว่างนี้ว่า เส้นแผ่รังสีหรือเส้นเปล่งแสง (Emission lines) เวลาต่อมา เคิร์ชฮอฟ ยังค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างเส้นดูดกลืนและเส้นแผ่รังสี เป็นกฏสามข้อของเคิร์ชฮอฟ (Kirchhoff’s Laws) ได้ดังนี้
ข้อที่ 1 วัตถุดำที่ให้แสงขาวทำให้เกิดแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง (Continuous spectrum) ไม่ปรากฏเส้นมืด ตัวอย่างที่เห็นได้ทั่ว ๆ ไปก็คือ สเปกตรัมของดวงอาทิตย์ หรือที่เรียกว่า รุ้งกินน้ำ และแสงรังสีจากหลอดไฟที่กระทบกับไอในกาศเกิดเป็นแถบ 7 สีเช่นกัน
ข้อที่ 2 ก๊าซร้อน ทำให้เกิดเส้นแผ่รังสีหรือเปล่งแสง (Emission lines) เป็นเส้นสีสว่างบนแถบสเปกตรัมมืด ยกตัวอย่างถ้าหากนำก๊าซอย่างโซเดียมคลอไรด์มาเผา ไอของมันจะลอยขึ้นมาเป็นสีเหลือง ซึ่งแสงของไอโซเดียมคลอไรด์เมื่อผ่านสเปกโตรสโคปก็จะมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ 2 เส้นใกล้ ๆ กันตรงที่ปรากฏเป็นสีเหลืองในสเปกตรัมต่อเนื่อง บนแถบดำแทน
ข้อที่ 3 ก๊าซเย็นที่ขวางกั้นการแผ่รังสีของวัตถุดำ ทำให้เกิดเส้นดูดกลืน (Absorption lines) ปรากฏเป็นเส้นสีดำบนแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง ยกตัวอย่างถ้านำโซเดียมคลอไรด์ในขณะที่ไม่ได้เผาไหม้ ซึ่งไอของมันจะไม่เป็นสีเหลือง และเมื่อส่องแสงไปยังไอผ่านเข้าไปในสเปกโตรสโคป ก็จะปรากฏเป็นเส้นมืดบนสเปกตรัมต่อเนื่องในตำแหน่งสีเหลืองที่เดียวกับตำแหน่งตอนเผาโซเดียมคลอไรด์แล้วมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ ที่ปรากฏเส้นมืดเพราะถูกไอของโซเดียมดูดกลืนไป ตรงส่วนที่มันเคยให้เส้นสว่างสีเหลือง 2 เส้นใกล้ ๆ กันนั่นเอง
ยกตัวอย่างถ้านำโซเดียมคลอไรด์ในขณะที่ไม่ได้เผาไหม้ ซึ่งไอของมันจะไม่เป็นสีเหลือง และเมื่อส่องแสงไปยังไอผ่านเข้าไปในสเปกโตรสโคป ก็จะปรากฏเป็นเส้นมืดบนสเปกตรัมต่อเนื่องในตำแหน่งสีเหลืองที่เดียวกับตำแหน่งตอนเผาโซเดียมคลอไรด์แล้วมีเส้นสว่างสีเหลืองปรากฏ ที่ปรากฏเส้นมืดเพราะถูกไอของโซเดียมดูดกลืนไป ตรงส่วนที่มันเคยให้เส้นสว่างสีเหลือง 2 เส้นใกล้ ๆ กันนั่นเอง
สำหรับวัตถุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุดำ เช่น ดวงอาทิตย์ และไส้หลอดไฟต่าง ๆ นั้น จะให้สเปกตรัมต่อเนื่องเป็นแสงขาว แต่อาจจะมีเส้นดูดกลืนสีดำคาดแนวดิ่งในแถบสเปกตรัมต่อเนื่อง ในกรณีที่มีบรรยากาศก๊าซห่อหุ้มอยู่ ก๊าซร้อน ก๊าซเรืองแสงเช่น นีออน จะให้สเปกตรัมเป็นแถบมืด ที่มีเส้นแผ่รังสีสว่างคาดในแนวดิ่ง
การศึกษาเส้นสเปกตรัมของดวงดาวที่อยู่ในบรรยากาศ
สเปกโตรสโคปี (Spectroscopy) คือวิธีการศึกษาดาวฤกษ์ของนักดาราศาสตร์ โดยใช้การดูสเปกตรัมที่เกิดขึ้น จากเครื่องสเปกโตรสโคป ร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ ให้รวมแสงจากดาวผ่านเข้าปริซึมหรือเกรตติ้งในสเปกโตรสโคป ทำให้เกิดสเปกตรัมที่มีความยาวคลื่นต่าง ๆ เมื่อได้แล้วก็บันทึกภาพลงด้วยอุปกรณ์บันทึกภาพ CCD
สเปกตรัมสามารถบอกคุณสมบัติของดาวฤกษ์ได้ 3 ประการได้แก่ อุณหภูมิพื้นผิว องค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ และทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวซึ่งสัมพัทธ์กับโลก
อุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์
การศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากแสงของดางฤกษ์เพื่อนหาอุณหภูมิพื้นผิวของมันนั้น นักดาราศาสตร์ได้วิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นที่เข้มที่สุด (λmax) กับอุณหภูมิพื้นผิว (T) ของดาวจากสเปกตรัมที่ดาวแผ่รังสีออกมา ตามกฎการแผ่รังสีที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ และการแผ่รังสี ว่า "ความยาวคลื่นของรังสีเข้มสุดที่ดาวแผ่ออกมานั้นจะผันแปรกับอุณหภูมิพื้นผิวของดาว" ซึ่งรังสีเข้มสุดที่ดาวฤกษ์แผ่ออกมานั้นเป็นความยาวคลื่นซึ่งเป็นรังสีอัลตร้าไวโอเล็ตที่มีความยาวคลื่นเข้มสุด (จากฝั่งซ้าย) สั้นเพียง 250 nm (nm คือ นาโนเมตร หรือ 10-9 เมตร) และมีอุณหภูมิพื้นผิว 12,000 K ในขณะที่ช่วงแถบสเปกตรัมที่เป็นแสงที่คนสามารถมองเห็นได้ (สเปกตรัม) ความยาวคลื่นเข้มสุด 500 nm อุณหภูมิพื้นผิว 6,000 K และสุดท้ายเป็นความยาวคลื่นที่มีการแผ่รังสีเข้มสุดเป็นรังสีอินฟราเรด 1,000 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 3,000 K
จากที่กล่าวมาเมื่อเรียงลำดับจากความยาวคลื่นของการแผ่รังสีของดาวฤกษ์แล้ว รังสีอัลตร้าไวโอเล็ตมีความยาวคลื่นสั้นที่สุดแต่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงที่สุด ในขณะที่ช่วงความยาวคลื่นที่ป็นแสงที่คนมองเห็นได้อย่างสปกตรัมนั้น ความยาวคลื่นจะยาวกว่าแต่มีอุณหภูมิพื้นผิวต่ำกว่า ไปในทิศทางเดียวกับรังสีอินฟราเรดที่ความยาวคลื่นยาวมากที่สุดและมีอุณหภูมิพื้นผิวน้อยที่สุดเช่นกัน
องค์ประกอบทางเคมีของดาวฤกษ์
นักดาราศาสตร์ศึกษาองค์ประกอบดาวฤกษ์จากสเปกตรัมโดยแบ่งสเปกตรัมของดาวฤกษ์ออกเป็น7 ประเภท ได้แก่ ดาวประเภท O, B, A, F, G, K, M มีวิธีการท่องจำง่ายเป็นประโยคภาษาอังกฤษมีความหมายว่าเป็นเด็กดีแล้วจูบฉัน Oh Be A Fine Girl Kiss Me ตามลำดับ
สเปกตรัมดาวฤกษ์ O เป็นดาวฤกษ์ที่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงถึง 35,000 K ในขณะที่ดาวสเปกตรัม G มีอุณหภูมิพื้นผิวปานกลางที่ 5,800 ซึ่งเป็นประเภทของดวงอาทิตย์นั่นเอง ส่วนสเปกตรัมดาวฤกษ์ M มีอุณหภูมิพื้นผิวต่ำอยู่ที่ 3,500 K ซึ่งจะเห็นได้ว่าสเปกตรัมของดาวฤกษ์ทุกประเภทจะมีเส้นดูดกลืนสีดำที่แสดงถึงการมีก๊าซหรือเป็นบรรยากาศที่ห่อหุ้มอยู่รอบ ๆ ดาวแต่ละประเภทแตกต่างกัน ทั้งตำแหน่งเส้นดูดกลืนและจำนวนที่แตกต่างกันนี้จะสามารถบ่งบอกองค์ประกอบของสารหรือก๊าซที่มีอยู่รอบ ๆ บรรยากาศและที่มีอยู่ในดาวฤกษ์แต่ละประเภท
สเปกตรัมดาวฤกษ์ O นั้นถูกธาตุอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมในบรรยากาศบริเวณรอบข้าง รวมทั้งภายในดาวฤกษ์เองดูดกลืนสเปกตรัมจนเกิดเส้นดูดกลืน ส่วนเส้นดูดกลืนของสเปกตรัมดาวฤกษ์ K M G F จะมีเส้นดูดกลืนสเปกตรัมคล้าย ๆ กัน เนื่องจากถูกธาตุชนิดเดียวกันดูด ซึ่งในสเปกตรัมของดาวฤกษ์ 4 ดวงนี้ มีจำนวนเส้นดูดกลืนมากและมีตำแหน่งใกล้เคียงกัน ซึ่งถูกธาตุหนักหลากหลายชนิดจากทั้งในชั้นบรรยากาศรอบ ๆ และภายในตัวมันเองดูดกลืนในรูปแบบเดียวกันหมดังในกรณีข้อ 3 ข้างต้นนอกจากนี้ยังมีเส้นดูดกลืนของโมเลกุลจำนวนมากในสเปกตรัมดาวฤกษ์ 4 ดวงนี้ เนื่องจากอุณหภูมิพื้นผิวต่ำมาก นั่นเป็นสิ่งที่ทำให้อะตอมต่าง ๆ ในบรรยากาศจับกลุ่มรวมกันได้จนเกิดเป็นโมเลกุล เช่น ธาตุไททาเนียม (Ti) กับธาตุออกซิเจน (O) รวมเป็นโมเลกุลเดียวกันได้เป็นไททาเนียมออกไซด์ (TiO) เป็นต้น
ทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ที่สัมพัทธ์กับโลกใช้วิธีการศึกษาทิศทางจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ได้ สเปกตรัม 3 แบบ ดังภาพได้แก่
1. การเลื่อนทางน้ำเงิน (Blueshift) เส้นดูดกลืนมีการเคลื่อนที่ไปทางแถบสีม่วงมากกว่าถ้าให้สเปกตรัมสภาวะปกติเป็นที่ตั้ง เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนที่เข้าหาโลก
2. สเปกตรัมของดาวฤกษ์ในสภาวะปกติที่เส้นดูดกลืนแสดงอยู่เป็นกลาง เกิดจากเกิดเส้นอิเล็กตรอนมีพลังงานสูงในวงโคจรของอะตอมธาตุไฮโดรเจน ดูดกลืนที่ความยาวคลื่น 410 nm, 434 nm, 486nm, 656 nm ตามลำดับเรียกว่า อนุกรมบาลเมอร์
3. การเลื่อนทางแดง (Redshift) เส้นดูดกลืนรังสีไปทางแถบสีแดง เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนที่ออกห่างจากโลก
การศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอม
เส้นสเปกตรัมที่ได้ส่วนใหญ่เกิดจากอะตอมของธาตุ ซึ่งแต่ละธาตุจะให้เส้นสเปกตรัมที่แตกต่างกัน มีลักษณะเฉพาะตัวเช่นเดียวกับลายนิ้วมือของมนุษย์ ดังนั้นการศึกษา วิเคราะห์เรื่องของสเปกตรัม จะทำให้เราสามารทราบองค์ประกอบต่าง ๆ หรือโครงสร้างภายในอะตอมได้ ยกตัวอย่างจากพวกก๊าซร้อนหรือไอ โดยการนำก๊าซมาบรรจุอยู่ภภายในหลอดแก้วสเปกตรัม ใช้การเผาหรือกระแสไฟฟ้าแรงที่สามารถทำให้เกิดความร้อนสูงในก๊าซ ซึ่งไอของก๊าซที่ร้อนนั้นเมื่อให้หักเหผ่านแผ่นเกรตติ้งหรือสเปกโตรสโคป จะปรากฏเส้นสเปกตรัมที่มีเส้นแผ่รังสีอยู่ และมีสีของสเปกตรัมหนึ่งที่เด่นชัด ซึ่งจะต่างกันไปตามก๊าซแต่ละชนิด ดังตารางแสดงสเปกตรัมของก๊าซหรือไอของสารและภาพ
การเกิดเส้นสเปกตรัมของอะตอม
ถ้าเราให้พลังงานแก่อะตอมสูง อิเล็กตรอนภายในอะตอมจะเปลี่ยนจากสถานะพื้น (Ground state) เป็นสถานะกระตุ้น (Excited state) ในกรณีอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะพื้นจะมีพลังงานต่ำและอะตอมจะเสถียรมาก แต่เมื่ออะตอมมีพลังงานสูงขึ้นอิเล็กตรอนภายในอะตอมจะเปลี่ยนเป็นสถานะกระตุ้นซึ่งพลังงานที่มากนี้ ทำให้อะตอมไม่เสถียร ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงพยายามปล่อยพลังงานออกมาให้กลับไปอยู่ในสถานะพื้นที่พลังงานต่ำ ซึ่งพลังงานที่อิเล็กตรอนปล่อยออกมาจะอยู่ในรูปพลังงานแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อผ่านแผ่นเกรตติ้งหรือสเปกโตรสโคปจะแยกแถบแสงออกเป็นเส้นสเปกตรัมนั่นเอง
สเปกตรัมอะตอมเกิดขึ้นได้อย่างไร
แบบที่ 1: เกิดจากการเผาวัตถุแข็งหรือวัตถุเหลวให้ร้อน เช่น การเผาเกลือแกง (NaCl) จะได้ไอร้อนของโซเดียมบริสุทธิ์ซึ่งจะปล่อยคลื่นแสงที่ประกอบด้วยคลื่นทุกย่านความถี่อย่างต่อเนื่อง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า สเปกตรัมต่อเนื่องแถบสว่าง (continuous bright spectrum)
แบบที่ 2: เกิดจากการเผาแก๊สให้ร้อน แทนที่จะเป็นวัตถุแข็ง สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า สเปกตรัมเส้นสว่าง (bright line spectrum)
แบบที่ 3: เกิดจากการปล่อยให้คลื่นแสงที่มีความถี่ต่อเนื่อง(จากแบบที่ 1) ผ่านแก๊สเย็น สเปกตรัมที่เกิดจากวิธีนี้ เรียกว่า สเปกตรัมต่อเนื่องกับเส้นมืด (continuous spectrum with dark lines)
ประวัติการค้นพบเส้นสเปกตรัมของอะตอม
เมื่อปี ค.ศ.1910 เออร์เนส รัทเธอร์ฟอร์ด นักเคมีฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์ นำเสนอแบบจำลองโครงสร้างอะตอมว่าประกอบด้วย นิวเคลียสขนาดเล็กที่มีโปรตอนอยู่ตรงกลางของอะตอม โดยโปรตอนเป็นประจุบวก และมีอิเล็กตรอนซึ่งเป็นประจุลบมีมวลน้อยโคจรอยู่รอบนิวเคลียสเป็นชั้น ๆ ในอะตอม ต่อมาที่เจมส์ แชวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ค้นพบนิวตรอน ซึ่งมีค่าเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่มีเพียงธาตุไฮโดรเจนที่ไม่มีนิวตรอน
ในค.ศ.1911 นีล โบร์ นักฟิสิกส์ชาวดัทช์ สร้างแบบจำลองอะตอมของไฮโดรเจน เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างกับสเปกตรัมของอะตอม ซึ่งอะตอมไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 อนุภาค และมีอิเล็กตรอน 1 อนุภาคเป็นวงโคจร 4 ชั้น คือ n = 1, 2, 3 และ 4 ตามลำดับ
อิเล็กตรอนในอะตอมนั้นสามารถข้ามชั้นวงโคจรจากวงหนึ่งสู่อีกวงหนึ่งได้ เมื่ออยู่ในสถานะพื้น หรือสถานะกระตุ้น เมื่ออะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก อิเล็กตรอนแต่ละชั้นจะกระโดดไปทางวงโคจรชั้นนอก เกิดเป็นเส้นดูดกลืนในแถบสเปกตรัม แต่เมื่ออะตอมสูญเสียพลังงาน อิเล็กตรอนจะลงสู่วงโคจรชั้นใน เกิดเส้นแผ่รังสีสว่างบนแถบมืด ดังภาพ
อะตอมของไฮโดรเจน เมื่อได้รับรับพลังงานในช่วงความยาวคลื่น 656.3 nm ที่อิเล็กตรอนในวงโคจร n = 2 ซึ่งจะเคลื่อนตัวขึ้นสู่วงโคจร n = 3 ทำให้เกิดเส้นดูดกลืนของไฮโดรเจน-อัลฟา (H-Alpha) ดังภาพที่ 10 ทางซ้ายมือ ส่วนด้านขวา เป็นเส้นแผ่รังสีของไฮโดรเจน-อัลฟา ที่ปลดปล่อยพลังงานในช่วงความยาวคลื่น 656.3 นาโนเมตรของอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งเกิดจากการสูญเสียพลังงาน ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนตัวจากวงโคจร n = 3 ลงไปสู่วงโคจร n = 2 การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 1 ถึงชั้น n = 2, 3, 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 122 nm, 103 nm, 97 nm, 95 nm, 94 nm ตามลำดับเรียกว่า อยู่ในช่วงรังสีอัลตราไวโอเล็ต จึงมีพลังงานสูงมากแต่มีความยาวคลื่นสั้น
การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 2 ถึงชั้น n = 3, 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 656 nm (H-alpha), 486 nm (H-beta), 434 nm (H-gamma), 410 nm (H-delta) ตามลำดับเรียกว่า อนุกรมบาลเมอร์ ซึ่งเป็นแสงที่คนสามารถมองเห็นได้
การเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนไฮโดรเจนระหว่างชั้น n = 3 ถึงชั้น n = 4, 5, 6 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 1875 nm, 1282 nm, 1094 nm ตามลำดับเรียกว่า ในช่วงรังสีอินฟราเรด มีพลังงานต่ำแต่ความยาวคลื่นมาก
จากการเคลื่อนชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน มีความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแต่ละชั้น จะมีลักษณะคล้ายกับความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิพื้นผิวและการแผ่รังสีของดาวฤกษ์ ที่ความยาวคลื่นสั้น พลังงานจะสูง และความยาวคลื่นต่ำ พลังงานจะมาก ซึ่งมีความสอดคล้องกัน
จากภาพการดูดกลืน/แผ่รังสีของทั้ง 3 อนุกรม แสดงให้เห็นถึงระดับพลังงานในอะตอม ซึ่งเรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum machanics) อธิบายได้ว่า
1. อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำสุด อยู่ในวงโคจรชั้นล่างสุด n = 1 เมื่อได้รับพลังงานจากโฟตอน Lymann-alpha ที่มีความยาวคลื่น 122 nm และมีพลังงาน 10.19 eV ก็จะเคลื่อนขึ้นสู่วงโคจรชั้น n = 2 ได้ ในทางกลับกันหากอิเล็กตรอนลงสู่วงโคจรจากชั้น n = 2 มาที่ n = 1 ก็จะแผ่รังสี Lymann-alpha ซึ่งมีความยาวคลื่น 122 nm เหมือนกัน
2. ในกรณีอิเล็กตรอนเคลื่อนจาก n = 1 ไปยัง n = 3 และจาก n = 1ลงไปสู่ n = 3 เป็นไปในทำนองเดียวกันกับข้อ 1 เพียงแต่ได้รับพลังงานและแผ่รังสีเป็นโฟตอน Lymann-beta ที่ใช้พลังงาน 12.07 eV มีความยาวคลื่น 103 nm
แต่หากอะตอมได้รับพลังงานจากโฟตอนของรังสีอัลตราไวโอเล็ต หรือช่วงคลื่นรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า แต่มีพลังงานสูงมากกว่า 13.6 eV อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากอะตอมไปสู่สภาวะถูกทำให้เป็นไอออน หรือกลายเป็นประจุ
อ้างอิง
- มาลี บานชื่น. (2514). มนุษย์กับวิทยาศาสตร์กายภาพ ตอนคลื่นแสงและทฤษฏีควอนตัม. กรุงเทพฯ : โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์, 2514
- ร.ศ.ดร. สทบัติ. พุทธจักรทัศนศาสตร์เชิงฟิลิกส์และการประยุกต์. โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ วิทยาเขตปัตตานี, 2554
- ศรีประยูร ชลยุทธ. การวิเคราะห์ด้วยเครื่องวัดแสงสเปกตรัมที่เกิดจากการดูดกลืนของแสง. 2531
- http://portal.edu.chula.ac.th/lesa_cd/assets/document/LESA212/3/nature_ligth/spectrum_lines/spectrum_lines.html 2016-03-05 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- http://www.promma.ac.th/main/chemistry/jutamas/lesson/spectrum4.htm 2013-07-14 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- http://www.thaigoodview.com/library/studentshow/2549/bangkok/sathit_cu/atomic_structure/Learn/bore6.html[]
- http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin/2180-บทเรียนที่+10+คลื่น+สมบัติของคลื่นและสเปกตรัมของแสง?groupid=347 2016-03-07 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- http://www.lesa.biz/astronomy/star-properties/stellar-spectrum 2014-06-18 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- . คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2022-05-17. สืบค้นเมื่อ 2015-04-26.
wikipedia, แบบไทย, วิกิพีเดีย, วิกิ หนังสือ, หนังสือ, ห้องสมุด, บทความ, อ่าน, ดาวน์โหลด, ฟรี, ดาวน์โหลดฟรี, mp3, วิดีโอ, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, รูปภาพ, เพลง, เพลง, หนัง, หนังสือ, เกม, เกม, มือถือ, โทรศัพท์, Android, iOS, Apple, โทรศัพท์โมบิล, Samsung, iPhone, Xiomi, Xiaomi, Redmi, Honor, Oppo, Nokia, Sonya, MI, PC, พีซี, web, เว็บ, คอมพิวเตอร์